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哈勃太空望遠鏡30歲生日快樂！我們看到的宇宙因你而不同

2020-04-25 00:00

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 鞠強我是科學家iScientist

你生日的那天的宇宙，是什么樣子？

2020年3月，美國國家航空航天局（NASA）官網上發(fā)起了一個活動。在主題為“你生日當天哈勃看見了什么？”的頁面上，只要輸入你的生日幾月幾日，就能看到你生日那天，哈勃太空望遠鏡拍攝過的星空圖像。

哈勃太空望遠鏡在4月24日自己生日這一天拍攝的照片 | NASA

NASA發(fā)起這項活動的初衷是為慶祝哈勃太空望遠鏡升空30周年，順便替哈勃給所有人送了一份生日禮物。

并不順利的升空之路

在參與建造的天文學家眼中，哈勃太空望遠鏡是有史以來最強大、最復雜的光學望遠鏡。

但這個強大的家伙，升空之路并不順利。

20世紀70年代，NASA開始考慮一個大計劃：發(fā)射大型太空望遠鏡。

把望遠鏡送入太空的想法，早已有之。自從1609年伽利略第一次使用望遠鏡觀測星空，此后三百多年，人類一直在探索使用尺寸更大、觀測能力更強的望遠鏡從地面觀測宇宙。但天文學家漸漸發(fā)現(xiàn)，地面上的望遠鏡容易受大氣影響，即使建在空氣稀薄的高山上或空氣干燥的沙漠中，但依然沒法完全消除這種干擾，這就也限制了地基望遠鏡的“視力”，無法看清宇宙更多細節(jié)。

完全擺脫這種影響的辦法只有一個——把望遠鏡放在大氣層外。

1946年，美國天文學家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）論證了在太空中放置光學望遠鏡進行天文觀測的優(yōu)勢——但在當時的技術條件下，這無異于天方夜譚。

太空時代的到來使天文學家夢想成真。在1966年到1972年間，NASA實施了“軌道天文臺”（Orbiting Astronomical Observatory，OAO）計劃，先后發(fā)射了4臺空間探測器。這個計劃雖然其中有2臺以失敗告終，但是另外2臺卻獲得了重要的觀測數(shù)據(jù)。

“軌道天文臺”計劃發(fā)射的一臺空間探測器 | nssdc.gsfc.nasa.gov

這個項目可以看作NASA在太空望遠鏡領域“小試牛刀”，驗證了太空望遠鏡的可行性。

1978年，被寄予厚望的太空望遠鏡開始建造。1984年開始總裝和測試。

1982年，這臺建設中的望遠鏡，被命名為哈勃太空望遠鏡，以紀念美國著名天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）。20世紀20年代，哈勃在加州的威爾遜山天文臺用當時最大的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了銀河之外的星系。他通過對河外星系的觀測，發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹，并提出了描述宇宙膨脹的“哈勃定律”。

埃德溫·哈勃在帕洛瑪上天文臺的望遠鏡旁 | Carnegie Institution of Washington

發(fā)射也不順利。1986年，哈勃太空望遠鏡本已被安排進當年的航天飛機發(fā)射任務中，結果，1986年1月28日發(fā)生了“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事事件，其他航天飛機一律被下令停飛，哈勃太空望遠鏡只能等待。一等就是四年。

1990年4月24日，哈勃太空望遠鏡由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機（Space Shuttle Discovery）搭載升空，提出太空望遠鏡設想的斯皮策當時就在現(xiàn)場觀看發(fā)射的人群中。此時，距離他第一次提出太空望遠鏡的設想已經過去了44年。

5月20日，哈勃太空望遠鏡進入工作狀態(tài)。

“哈勃麻煩”

哈勃太空望遠鏡升空帶給天文學家的喜悅，并沒有持續(xù)太久。

望遠鏡升空不久，科學家就發(fā)現(xiàn)：望遠鏡的主鏡出了問題，導致主鏡不能聚焦圖像，傳輸回地面的圖像的清晰度不如預期。

NASA對這個問題進行了調查。1990年6月，NASA在一場新聞發(fā)布會上公布了這個調查結果：原來是制造主鏡的過程中，成品鏡片的厚度和設計值出現(xiàn)了偏差——雖然這個偏差只相當于一根頭發(fā)直徑的1/50，但還是對觀測產生了嚴重影響。

被寄予厚望的望遠鏡竟然出師不利，質疑聲鋪天蓋地，這個問題甚至擁有了一個專屬的名稱：“哈勃麻煩”（Hubble Trouble）。

雖然調查出了結果，但解決并不容易。哈勃太空望遠鏡在設計時，只考慮到了一些零部件的更換問題，卻沒有考慮主鏡。

因此，科學家只能考慮制造校準設備來解決這個問題，就像給近視者配眼鏡來矯正視力?？茖W家為哈勃太空望遠鏡配的“眼鏡”名為“太空望遠鏡光軸補償校正光學系統(tǒng)”（COSTAR）。

1993年12月2日至13日，7名航天員搭乘“奮進號”航天飛機進入太空，其中4人通過5次太空行走，為哈勃太空望遠鏡戴上“眼鏡”，并對相機、太陽能電池板等部件存在的一系列問題進行了修復。

1993年，航天員凱瑟琳·索恩頓（Kathryn Thornton）在太空行走中對哈勃太空望遠鏡進行維修 | NASA

左圖：1993年11月27日使用WFPC-1相機拍攝的星系M100；右圖：1993年12月31日使用WFPC-2相機拍攝的星系M100。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，更換相機后，圖片的清晰度明顯提高 | NASA

這次修復對于挽救哈勃太空望遠鏡具有決定性的意義。

首先，它解決了困擾天文學家數(shù)年的觀測問題。由于主鏡的厚度偏差，導致有些觀測無法進行。在1990年至1993年間，哈勃望遠鏡拍攝的一些圖片只能通過計算機重建技術進行處理。

更重要的是，這是人類第一次在軌道上維修太空望遠鏡。這次修復，驗證了人類在軌道上維修太空望遠鏡的可行性。

此后，NASA又先后于1997年2月、1999年12月、2002年2月和2009年5月對哈勃太空望遠鏡進行了4次維護，航天員在太空行走過程中對儀器進行維修和替換。

2011年7月21日亞特蘭蒂斯號航天飛機完成最后一次飛行后，美國封存了航天飛機，終止了航天飛機任務，自然也無法再對哈勃太空望遠鏡進行維護。不過，最后一次維護使哈勃太空望遠鏡處于良好的運行狀態(tài)，一直運行到今天，持續(xù)超過10年。

重新認識宇宙

30年來，哈勃太空望遠鏡深刻改變了我們對宇宙的認識，說它是有史以來最成功的太空項目毫不為過。哈勃太空望遠鏡的觀測，覆蓋了人類研究宇宙的各個層次：大到宇宙尺度，小到如小行星和彗星這樣的天體。

哈勃太空望遠鏡的主鏡直徑只有2.4米，這一尺寸比起很多地基望遠鏡相比并不突出，但憑借在太空中的優(yōu)勢，卻可以提供前所未有的清晰圖像，并發(fā)現(xiàn)地基望遠鏡無法發(fā)現(xiàn)的遙遠和黯淡的天體。

哈勃太空望遠鏡發(fā)射升空時，科學家對宇宙年齡的估計值為100億~200億年之間。通過哈勃太空望遠鏡對造父變星（Cepheid Variable）的測量，目前科學家估計的宇宙年齡在138億年左右。

造父變星 | NASA

哈勃太空望遠鏡對超新星的觀測數(shù)據(jù)支持了“宇宙加速膨脹”的結論。2011年，索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）、布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當·里斯（Adam Riess）因為這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學獎。這個發(fā)現(xiàn)直接引發(fā)了“究竟是何種力量推動宇宙加速膨脹”的討論，科學家后來提出占宇宙質能總量70%的“暗能量”理論以解釋這種現(xiàn)象。

光在宇宙中傳播需要時間，因此我們觀察到的天體并不是天體當前的樣子，而是光從天體發(fā)出時天體的樣子。由于遙遠天體的光要經過數(shù)十億年的時間才能到達地球并被哈勃太空望遠鏡觀測到，某種程度上，它像一臺“時間機器”，能讓我們穿越時光，看到早期宇宙的樣子，并將可以看到的宇宙歷史又向前推進了數(shù)十億年。

恒星和星系演化的時間尺度達到數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年，我們無法觀察整個過程。但是通過觀測處于自身周期不同階段的星系，哈勃太空望遠鏡使我們了解到星系如何變化，又是如何相互作用和碰撞。哈勃太空望遠鏡還為位于生命周期不同階段的恒星拍攝了快照，展示出恒星從誕生到毀滅的整個過程。

“創(chuàng)生之柱”（Pillars of Creation）可能是哈勃太空望遠鏡拍攝過的所有照片中最著名的一張。這張攝于1995年的照片展示的是老鷹星云（Eagle Nebula）內圓柱形的星際氣體和塵埃，其中包含著新生的恒星 | NASA

哈勃太空望遠鏡還對系外行星研究有重要貢獻。1995年，天文學家發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類日恒星旋轉的系外行星飛馬座51b（51 Pegasi b），這項研究獲得了2019年諾貝爾物理學獎。不過，在此后十多年的時間里，天文學家只能通過間接的方法來尋找系外行星。直到2008年，哈勃太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了系外行星Fomalhaut b，這是科學家第一次在可見光波段對系外行星直接成像*。

除了望向宇宙深處，哈勃太空望遠鏡也極大豐富了我們對太陽系的了解。

它拍攝的木星、土星甚至冥王星的圖像的清晰度只有抵達這些天體的探測器才能超越。這些圖像使科學家可以對這些天體的大氣和表面進行監(jiān)測，比如木星上的大紅斑。

哈勃太空望遠鏡拍攝的木星大紅斑 | NASA

哈勃太空望遠鏡還可以觀測太陽系中的彗星和小行星，以及它們與其他行星的作用。例如，1994年，它就目睹了“舒梅克-列維9號”彗星（Shoemaker-Levy 9）撞擊木星，后續(xù)的觀測揭示了大量有關這顆巨行星大氣的信息。

哈勃太空望遠鏡對太陽系研究的貢獻還包括在2014年和2016年先后觀測到木衛(wèi)二歐羅巴表面的水汽噴發(fā)，發(fā)現(xiàn)了天王星的環(huán)和衛(wèi)星，以及發(fā)現(xiàn)了冥王星的兩顆衛(wèi)星冥衛(wèi)二（Nix）和冥衛(wèi)三（Hydra）。在觀測第一個星際天體奧陌陌（?Oumuamua）的過程中，哈勃太空望遠鏡也發(fā)揮了關鍵作用。